Link16数据链导航功能实现与改进❋

曹乃森，赵 敬，丁永强

（空军第一航空学院航空电子工程系，河南信阳464000）

Link16数据链导航功能实现与改进❋

曹乃森，赵 敬，丁永强

（空军第一航空学院航空电子工程系，河南信阳464000）

基于同步的相对导航与精确定位技术是Link16数据链运行的关键。针对国内文献对该技术介绍较少的情况，分析了相对导航的基本原理，研究了利用往返计时报文实现精确同步的方法和步骤，建立了相对导航解算方程以及相对栅格与地理栅格坐标之间的数据转换模型，最后提出了一种用GPS／IMU数据融合和卡尔曼滤波方法提高导航精度的方案。应用结果表明，该方案能显著提高数据链的导航精度。

联合战术信息分发系统；Link16数据链；相对导航；往返计时；导航精度；精确定位

1 引言

Link16数据链又称联合战术信息分发系统（JTIDS），是一种集通信、导航和识别功能于一体的综合战术通信系统，是C4ISR系统的纽带，在科索沃战争、阿富汗战争等行动中为美军获取战场态势信息、掌握战争主动权起了重要作用［1］。在同步基础上实现的相对导航与精确定位是Link16数据链的一种重要功能，是实现战场态势共享的关键。该功能使系统内所有成员能在统一的坐标系统中进行导航定位，为参与者提供精确的位置信息，系统成员利用相对导航功能不仅知道自身的时空状态，而且知道其它成员的时空状态，从而得到整个战场的敌我态势分布，获取战场优势。

目前，国内文献关于数据链如何实现相对导航功能的介绍很少，针对这种情况，本文详细研究了数据链利用往返计时报文实现精确同步进而实现相对导航的原理，建立了相对栅格与地理栅格坐标转换的模型，对如何提高导航精度进行了研究，并根据某型飞机机载设备的加装情况，提出了一种基于GPS／IMU数据融合和卡尔曼滤波方法的导航精度改进方案。仿真和实际应用表明，该方案切实可行。

2 相对导航原理

相对导航（RELNAV）是Link16数据链导航功能的名字。Link16采用时分多址方式，具有统一的系统时，网内成员只能在分配给自己的时隙内发播信号，此时作为网络的导航信号源为网内其它成员提供导航信息；而在其它时隙该单元又成为用户，接收网内其它成员发播的导航定位信息进行定位解算，得到自己在相对网格内的位置，从而实现相对导航功能。由于所有平台交换导航信息，具有高质量定位（如GPS）的那些成员可以提高其它成员的导航质量。

相对导航是在两个独立的栅格坐标即相对栅格（u，v，w）和地理栅格（经度、纬度和高度）用卡尔曼滤波来计算位置和速度［2］，如图1所示。它利用主机提供的导航信息和接收的PPLI导航信息来计算自己的位置及其在这两个栅格坐标内的估计精度。然后，这些PPLI信息向所有其它参与单元JU（JTIDS Unit）广播。在相对栅格中通过JTIDS端机推算出精确的相对位置数据，当两个或更多的端机独立得出它们精确的地理位置数据时，相对导航功能就可以为所有端机提供精确的地理位置。相对导航与定位过程如图2所示。

改进的位置和速度数据送到主机平台，用于显示、定位或飞行校准。信息的利用和栅格类型的选择取决于主机平台。

2．1 相对栅格坐标

Link16的相对栅格是一个1 024 n mile2的大平面栅格，栅格原点是平面与地球的切点。JU估计它们在U（东）、V（北）和W（高度）坐标系中的位置，并以英尺为单位报告离栅格原点的距离。栅格的使用中，要求指定一个JU作为导航控制器（NC），并选择一个JU作为辅助导航控制器，且对所有JU进行初始化，使之具有一个公共的栅格原点。对于链路使用来说，相对栅格并不是必需的，而是可选的。

2．2 地理栅格坐标

地理栅格使用经度／纬度／高度坐标系。每个JU自动计算它的位置（和质量）并在PPLI中广播发射出去，通过JU本身提供的导航数据与接收PPLI数据来计算地理栅格坐标。允许利用带有高质量位置信息（如GPS）的JU来改善其它JU的精度和纬度估值。

3 精确同步的实现

同步是定位的基础，为了在Link16中准确地进行数据发送和接收，网络终端必须与网络保持同步［3］。只有实现时钟的精确同步，相对导航才能够实现精确的双格网（地理栅格和相对栅格坐标）定位［4］。

作为一个基于时间的系统，Link16要求每个参与的终端获取和保持一个精确的系统时间，作为网络时间基准（NTR）的一个指定单元将负责建立系统时间。这个角色可指定给任一单元（一个且仅仅一个）。一旦工作，该单元将承担精同步任务，并开始广播发送系统时间和入网消息。一旦建立精同步，NTR视距范围内的单元就可被指定为初始入网单元（IEJU），向NTR视距范围以外的终端发送入网消息。在NTR或IEJU视距范围内的单元将在入网过程中获取系统时间。

3．1 端机入网

NTR端机在每个时帧内固定的4个时隙位置发射入网消息，在NTR开始发射入网消息前，要由操作员输入当前时间的时、分、秒值。NTR端机把时、分、秒值转换成对应的时元号、时帧号和时隙号，之后随着时隙计数，NTR端机就在每帧分配的4个时隙上分别用4种跳频图案发射入网消息。这里采用“1+3”方案，即每帧第一个时隙所用的跳频图案随时元号和时帧号的改变而改变，而在另外3个时隙上分别用3种固定的跳频图案发射入网消息，入网消息内容包含当前时间对应的时元号、时帧号和时隙号。这就为端机入网提供了两种入网方式。第一种方式是在端机操作员能够获取较为精确的外部参考时间的情况下，操作员输入当日时间的时、分、秒值，端机计算得到当前时间对应的时元号和时帧号，然后在一个适当大小的时间窗口内提前用下一帧第一个时隙的跳频图案捕获入网消息，获得系统时。时间窗口的大小根据外部参考时间相对于系统时的误差范围确定，一般时间窗口的大小是这个误差范围大小的2倍。如果在时间窗口内不能入网，操作员可以重新根据外部参考时间输入系统时的估值，再次设置时间窗口捕获入网消息，或者转入第二种方式入网。

采用第二种入网方式的端机可以不依赖外部参考时间入网。这种方式下，要入网的端机在设置另外3个发射入网消息的跳扩频图案的一种图案上等待接收入网消息，每隔12 s更换一次等待图案。

NTR端机视距内的成员端机首先入网获得系统时。一旦进一步获得精确同步，这些视距内的成员端机中被指定为起始入网端机（IEJU）和所有被指定作为中继端机（RJU）也要在上述固定的4个时隙上发射入网消息。因此，NTR视距外的端机也能收到入网消息，获得系统时。

为支持动态初始化的端机入网，在入网时隙上以备用的工作密钥、备用的跳频频点库和直扩伪码库产生跳扩图案发射起始入网消息。

3．2 精同步

如果终端收到了入网消息，就用接收到的时间校正终端的系统时间，但本身的时钟只与系统时达到了粗同步。处于粗同步的单元能接收所有的消息和话音，只能发送RTT（往返计时报文），不能发送其它消息，因此还需进一步完成精同步。实现精同步有两种方式：主动同步方式和被动同步方式。

3．2．1 主动同步方式

主动同步方式实现精同步是通过往返计时消息实现的，终端在一个时隙内发送往返计时询问消息，并在同一个时隙内接收往返计时应答消息。往返计时询问既可以采用寻址方式（RTT-A），也可以采用广播方式（RTT-B）。寻址方式的往返计时询问消息RTT-A，指明了一个时间质量最高的终端地址，在一个指定的时隙内被传输到指定的终端上，只有这个指定的终端才发出往返计时应答消息。广播方式的往返计时询问消息RTT-B，不是发送给特定的终端，任何具有更高质量的终端都可以应答。RTT-B通常应用于重叠网结构，终端在网络编号等于它们本身的时间质量时接收询问消息并发送应答消息。

往返计时应答消息在时隙开始后4.275 ms准时发送。主动同步方式实现精同步如图3所示，其中：tTOAI是由应答JU确定的RTT询问消息到达时间；tTOAR是由询问JU确定的RTT应答消息到达时间；td为一个固定值，td=4.275 ms；tp为RTT消息的传播时间；ε是两个JU之间的初始时钟偏差，即询问JU需要校正的时间偏差。

询问终端利用往返计时应答消息中报告的询问到达时间（tTOAI）、询问终端直接测量应答到达时间（tTOAR）、固定值td，就可以得到询问终端系统时钟的修正量ε。

因此，只要通过与一个具有更精确系统时间的JU（已实现精同步，具有更高的时间质量）交换往返计时消息，询问终端就能提高本身的系统时间精度。每个终端通过网络报告自己的时间质量，并保留一个在视距范围内的终端的内部报告表，通过这个内部报告表可以帮助询问终端选择向哪一个终端发送往返计时询问消息。

3．2．2 被动同步方式

被动同步方式实现精确同步可通过接收多次精确参与定位与识别消息（PPLI）来完成，它要求被动单元（和次要用户）具有好的地理位置并至少有3个主动单元在视距范围内。

当一个单元的时间完全精确时，精同步即广播发布，全链路参与单元均可达到精同步。

为了便于要实现精同步的成员找寻合适的其它成员作为被询问对象进行RTT，每个成员要在自己发射的P消息中标志其时间质量，显然，为了避免时钟同步发散，每个需要RTT的成员应寻找时间质量比自身高的成员作为被询问对象。

4 相对导航解算

在各个参与单元（JU）达到了精同步之后，可以通过两个或两个以上参与单元的精确位置坐标来实现其它单元的精确定位。JU可以根据3个JU的PPLI消息的到达时间（TOA）测量得到的数据和这些报文中所包含JU的经度、纬度和高度数据信息来确定自己的三维数据，即通过PPLI报文的到达时间可以推算出JU之间的距离，组成坐标方程组来解算出JU的坐标［5］。己知3点坐标为A（xa，ya，za）、B（xb，yb，zb）、C（xc，yc，zc），被测点的坐标为（x，y，z），建立如下方程组：

式中，c为无线电传播速度，不受天气、气候和地理位置的影响；t1、t2、t3分别是PPLI报文到达时间；ta、tb、tc分别是A、B、C报文中的TOA；cΔtu为用户与系统时之间的钟差。

导航解算实际上是一种多边测伪距的定位方式，若要得到自己的位置需要解算上面的定位方程。普通的方程解算往往实时性不够，因为网络中的用户都为高速用户；另一方面，普通的方程解算难以消除伪距测量所引入的噪声，使系统的精度受到影响。因此，Link16系统的导航解算通常采用卡尔曼滤波的方式［6］。

5 相对导航的实现

相对导航是端机的一种功能，它在公共参考坐标系内为各参与单元提供精确的位置信息。在确立各个单元之间的精确位置之后，可以选择其中一个参与单元负责建立起相对栅格坐标系。由于确定的参与单元定位也可能以经度、纬度和高度的WGS-84大地坐标（即地理栅格）来表示，因此存在两个坐标系统之间的转换。

设地球赤道半径Re=6 378.245 km，扁平系数l =1／298，第一偏心率为相对栅格坐标系的坐标；（R、AZ、EL）为WGS-84系统坐标系，其中R为目标范围，AZ为方位角，EL为仰角；ΦI和λI为参与单元的地理经纬度，ΦT和λT为目标的地理经纬度，H为目标的高度；系统坐标中心的位置为（Φs，λs，hs），分别代表纬度／经度／高度［7］；（Φt，λt，ht）为跟踪点坐标，（Xt，Yt，Zt）为相对点坐标，a为参考球面的主半轴。

（1）从相对栅格坐标平面转换到本地坐标平面

假定（Xt，Yt，Zt）和（Φs，λs，hs），求（Φt，λt，ht）。

K按照如下的迭代算法实现：

K′=0，然后计算：

（2）从WGS坐标系统转换到相对栅格坐标

其中：

6 导航精度的改进

相对导航的精度可以通过利用高质量用户数据、信息源之间良好的相对运动、良好的几何位置和高质量时间加以改善。

6．1 基于GPS／IMU的导航精度改进

用户成员在获得相对坐标系后，能根据IMU（Inertial Measurement Unit）给出的位置坐标算出自身在相对坐标系的初始位置值［8］；之后，根据IMU的速度外推其相对坐标位置。用户平台一方面根据自身外推的相对位置值和导航控制器报告的相对位置值计算出平台自身相对于导航控制器的距离，即rcount=｜＾P-＾Pmeasure｜，同时在不断接收导航控制器的P消息过程中，还能通过测量导航控制器P消息的TOA值，得到平台自身相对于导航控制器的测量距离（伪距），测量模型为

计算距离与测量距离之差值是用户平台IMU各种误差和端机时钟误差的函数。因此，根据IMU误差模型，利用卡尔曼滤波算法，按下列递推形式：

就能精确地估计IMU输出和端机时钟误差，并用以修正自身的相对位置估值和校正端机时钟。IMU辅助下的系统相对导航原理如图4所示。

如果用户平台上没有可用的IMU数据，则需要人工输入位置初值，并利用平台的运动模型外推，和有IMU推测数据情况相比要引入较大的定位误差，对于高动态的空中平台尤其如此。如果装备了GPS，则直接提供高精度的位置数据，作为当前已知地理位置。

如果有两个或两个以上的网成员精确已知其地理位置（该成员称为地理位置基准，即GPR），那么，其它网成员在接收其P消息时，通过TOA测量和滤波就能精确估计出自身的地理位置（此时要用源的地理位置估值和平台自身的地理位置估值计算rcount=｜＾P-＾Psource｜）。因此，系统可以相对独立地同时实现双格导航定位（相对定位和绝对定位）。

6．2 基于源选择的导航精度改进

已在相对坐标系中精确定位的参与单元（JU）将自己的位置值通过P消息广播出去，其它需要相对定位的用户不仅可以利用导航控制器作为源，还可以选择已精确定位的成员作为源进行导航定位。根据“源”选择协议，用时间同步质量和定位质量较高的单元作为源，以防止倒校准或循环校准，导致系统发散。为了实现源选择协议，端机每次发射的P消息中均包括时间质量、地理位置质量、相对坐标位置质量和方位角质量4种质量等级，实现用优先级高的源来调整自己的数据。

7 方案验证

上述改进方案已在某型飞机的加改装中得到仿真和验证，其结果如图5所示。直线1为某参与单元的误差线，与其相对坐标位置质量有关；直线5为加装GPS接收机后的误差线，其幅值显著降低，导航精度很高；线2为GPS信号丢失时刻；斜线3为未使用IMU惯性导航装置且GPS信号后时的误差变化线，可以看出位置质量下降很快；曲线4为使用IMU时的误差变化曲线，其变化较为缓慢。

导航精度决定着态势显示的效果。文献［5］提出的采用人工神经网络提高导航精度的方法论述比较简单，与其相比，基于GPS／IMU的导航精度改进方案极大地提高了导航精度并在应用中得到了验证。

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MEI Wen-hua，CAI Shan-fa.JTIDS／Link16 Data Link［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2007：111 -112.（in Chinese）

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［8］ Alison Brown.Navigation Using LINK-16 GPS-INS Integration［C］／／Proceedings of ION GPS 2003.Portland，Oregon：ION，2003：1-2.

CAO Nai-sen was born in Xinyang，Henan Province，in 1973.He received the M.S.degree in 2007.He is now an associate professor.His research concerns communication and navigation and development of automatic test system.

Email：cns19720327＠sina.com

赵敬（1978—），女，河南信阳人，2007年获硕士学位，现为讲师，主要研究方向为数字信号处理电路的设计；

ZHAO Jing was born in Xinyang，Henan Province，in 1978. She received the M.S.degree in 2007.She is now a lecturer.Her research concerns the design of digital signal processing circuit.

丁永强（1981—），男，河南信阳人，2005年获学士学位，现为讲师，主要研究方向为机载电子设备。

DING Yong-qiang was born in Xinyang，Henan Province，in 1981.He received the B.S.degree in 2005.He is now a lecturer. His research concerns the airborne electronic equipment.

《电讯技术》征稿的新要求

为了促进本刊的国际化进程，进一步扩大影响力，为广大科技人员搭建更高层次的学术研究和技术交流平台，现对来稿作如下几点新的要求：

（1）来稿中的图题、表题应给出对应的英文翻译；

（2）中文参考文献采用双语著录；

（3）属于基金项目的来稿应给出项目的英文翻译；

（4）提供作者简介的英文翻译，其中应包括作者的出生年、籍贯、何时获得学位、研究方向等内容，可参见IEEE系列刊物作者简介的翻译；

（5）欢迎作者将具有原创性的研究成果直接以全英文论文投稿，应注意语言流畅，专业术语准确，符合科技英语表达习惯，并附上中文标题、单位、摘要和关键词，以及中文作者简介；

（6）为了保证出版的及时性，作者不得在自校阶段对稿件作大幅修改，否则，将按新投稿件处理，编辑部保留追究由此造成的一切损失的权利。

更多信息请浏览本刊网站：www.teleonline.cn。

《电讯技术》编辑部

Realization and Improvement of Navigation Function of Link16

CAO Nai-sen，ZHAO Jing，DING Yong-qiang
（Department of Aeronautic Electronic Engineering，The First Aeronautic Institute of Air Force，Xinyang 464000，China）

The relative navigation and precise positioning technology based on synchronization is the key of Link16 operation.Because there is few detailed explanation about this technology，this paper illustrates the basic principle of relative navigation，studies the method and process of precise synchronization based on Round-Trip Timing message，builds the data conversion mode between relative grid coordination and geographical grid coordination，and finally proposes a scheme to improve the navigation precision with GPS／IMU data fusion and Kalman filtering. The application result shows that the scheme can improve greatly navigation precision of data link.

JTIDS；Link16 data link；relative navigation；round-trip timing；navigation precision；precise positioning

TN96

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.05.003

曹乃森（1973—），男，河南信阳人，2007年获硕士学位，现为副教授，主要研究方向为通信导航与自动测试系统；

1001-893X（2011）05-0011-06

2011-01-30；

2011-04-11